VPSA製氧設備

VPSA製氧系統主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐組成。原料空氣經吸入口過濾器除掉灰塵顆粒後,被羅茨鼓風機增壓至0.3-0.5barg而進入其中一隻吸附器內。吸附器內裝填吸附劑和脱水劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填於底部的活性氧化鋁所吸附,隨後氮氣被裝填於活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產品氣排至氧氣平衡罐。

當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態,此時通過切換閥利用真空泵對之進行抽真空(與吸附方向相反),真空度為0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其它氣體組分被抽出並排至大氣,吸附劑得到再生。

VPSA的每個吸附器都交替執行以下步驟：

---吸附---解吸---衝壓

上述三個基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統來實現自動控制

VPSA型製氧機 1、 能耗比較低。產氧量越大，能耗也降低。 2、 維護成本低，動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，因其工作原理都為容積式，無油，極易維護。 3、 整套設備的自動化程度高，動設備與製氧機是同步控制，只需按一下啓動按鈕，整套設備即可正常運行。 4、適合於中大型產量。

1891年，德國林德公司在冷凍機械製造公司的實驗室開始空氣液化工作。

1895年，林德教授利用焦耳--湯姆遜效應制成第一台液體空氣裝置。

1901年，林德公司在慕尼黑市建立低温設備製造車間。

1902年，林德設計的第一台單級精餾塔的空分設備製成。法國克勞特發明了膨脹機，在巴黎建立空氣液化公司。

1903年，林德公司製成第一台工業性10m3/h的製氧機，採用高壓節流的高壓流程。

1910年，法國製成第一台採用中壓帶活塞膨脹機的中壓流程的50m3/h製氧機。

1920年，德國海蘭特發明了可生產液氧的高壓帶膨脹機的高壓流程。

1924年，法蘭克爾建議在大型空分設備是採用金屬填料的蓄冷器代替一般的熱交換器。

1926年，法蘭克爾提出普通形式蓄冷器。

1930年，林德公司製成第一台工業規模的林德--法蘭克爾裝置，產量為255m3/h，純度為99.5%O2 。

1932年，透平膨脹機第一次應用於林德--法蘭克爾裝置上。德國第一次在冶金和合成氨工業中用氧。

1939年，蘇聯創造了高效率的透平膨脹機，並開始研究全低壓空分設備。

1947年，林德公司致力於全底壓工業氧製造設備。蘇聯開始設計全低壓流程的大型工業氧裝置。

1949年，美國第一次在29000m3/h製氧機上應用板翹式換熱器。

1952年，奧地利首先使用純氧頂吹轉爐鍊鋼，促使冶金用氧劇增。

1955年，美國大力發展導彈，消耗大量液氧作為助燃劑。

1957年，第一台自動操作的120噸/天製氧機制成。

1960年，日本完成了10000m3/h99.6%O2和10000m3/h99.99%N2的雙高純度的大型全低壓設備。

1972年，法國製成世界上最大容量的純氧空分設備：1700噸/天O2和1500噸/天N2 。

目前正在研究更大型的機組。

1-2 變壓吸附制樣的發展歷史

變壓吸附分離技術被髮明以來，廣泛地應用於氣體混合物的分離精製。

首先，1958 年，Skarstorm 申請專利並應用此技術分離空氣。同時，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法國申請專利。兩者的差別是，Skarstorm 循環在牀層吸附飽和後，用部分低壓的輕產品組分沖洗解吸，而Gerin-Domine 循環採用抽真空的辦法解吸。

1960 年大型變壓吸附法空氣分離的工業化裝置建成。

1961 年用變壓吸附分離工藝從石腦油中回收高純度的正構烷溶劑，並命名為Isosiv 過程，1964年完善了從煤油餾分中回收正構烷烴的工藝。

1966 年利用變壓吸附技術提氫的四塔流程裝置建成，20 世紀70 年代後採用四塔以上的多塔操作，並向大規模、大型化發展。

1970 年又建成分離和回收氧的工業化裝置，用於環保工業污水處理生化的需要。同時被廣泛用於從石腦油中提取正構烷烴，再經異構化，將異構化產物加入汽油餾分中，以提高其辛烷的Hysomer過程。

1975 年試製成醫用富氧濃縮器，1976 年開發了用碳分子篩變壓吸附制氮的工藝並工業化，隨後採用5A沸石分子篩抽真空制氮工藝。到1983年德國推出性能優良的制氮用碳分子篩。到1979年為止，約有一半的空氣乾燥器採用Skarstrom 的變壓吸附工藝。變壓吸附用於空氣或工業氣體的乾燥比變温吸附更為有效。1980年開發了快速變壓吸附工藝（又稱為參數泵變壓吸附）。

從20 世紀90年代起，由於電能緊張，變壓吸附製氧又在鍊鋼等領域佔有了一席之地。

1-2-1 我國對變壓吸附製氧技術的研究

我國對變壓吸附製氧技術的開發起步較早，從1966年開始研究沸石分子篩分離空氣製氧技術；20世紀70年代PSA分離空氣製氧在鋼鐵、冶煉和玻璃窯等工業領域已經得到了廣泛的應用。20多年來，由於技術力量分散，相互之間缺少聯絡，我國的變壓吸附製氧技術發展緩慢，同國外的差距越來越大。20世紀70年代是我國PSA分離空氣製氧技術發展的鼎盛時期，全國有十幾個單位相繼開展了變壓吸附製氧技術的實驗研究，建立了數套工業試驗設備。這個時期開發的變壓吸附製氧設備的共同點有以下幾個方面：

（1）大多采用高於大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個到四個；

（2）空氣進入吸附塔前，經過脱水預處理；

（3）設備可靠性差，不能連續穩定運行，導致大部分設備報廢；

（4）技術、經濟指標落後。

20世紀80年代，原來從事變壓吸附製氧裝備研製單位的開發項目相繼中止，我國變壓吸附製氧技術的開發再次進入低谷。

1995年，在河南洛陽鋼鐵廠建成VSAO 1000Nm3/h製氧機，標誌着變壓吸附在我國正式進入工業領域，也標誌着變壓吸附在我國進入高速發展時期。

一九九四年，洛鋼有關領導考慮到本廠現有深冷製氧機不能滿足鍊鋼廠要求，且故障率較高的弊端，同時瞭解到變壓吸附製氧機具有啓動快、操作方便、維護量少等優點，對此新型製氧機頗為注重。當時在國內並無樣版工程。為開拓國內市場，我司邀請洛鋼有關技術人員分別考察了CATHAY PACIFIC SKK STEEL、JAKARTA PRlMA 等海外鋼廠所用我司之變壓吸附設備。考察團回國後便決定上一台1000Nm3/Hr變壓吸附製氧設備。該設備於一九九五年五月份一次試車成功，所測各項指標均達到設計要求。

此項目是我國工業領域所用的第一台變壓吸附製氧設備。

20世紀90年代是我國變壓吸附製氧技術突飛猛進向前發展的時期，變壓吸附製氧技術逐漸成熟，有些產品的綜合技術經濟指標已經接近國外先進水平。多年的實踐表明，我國變壓吸附製氧技術已經走出實驗室步入實用化階段。在近十年內，通過不斷地技術更新和研究開發，我國變壓吸附製氧技術日新月異，發展迅速，與世界先進水平之間的差距正在不斷縮小。但從整體水平上看，我國在很多方面與國際先進水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附劑的研究，吸附流程的改進，理論分析研究和數學模型的建立，質量監控與自動化控制等許多方面。

進入21世紀後，北大先鋒成功開發的高效的製氧吸附劑PU-8，並且解決了工業化工作中吸附器的高效分佈器問題以後，目前我過變壓吸附製氧規模可達單套20000Nm3/H，能夠滿足大多數工業用氧需求。